低溫晶體失效故障分析

摘 要：在計算機的實驗中，晶體在溫度試驗條件下，性能不穩定，導致計算機無法正常工作。通過對晶體的失效分析，確定了晶體失效的原因。結果表明：由于晶體諧振器內部晶片的形成結構異常造成晶體諧振器與振蕩電路不能相互匹配，因而在低溫條件下表現出來，這種晶體諧振器內部晶片結構異常是導致計算機無法正常工作的原因。通過對晶體諧振器進行溫度頻差測試，發現晶體諧振器早期失效問題，可解決這一問題，驗證試驗表明這一措施有效、可行。

關鍵詞：晶體諧振器； 失效分析； 低溫條件； 頻差測試

中圖分類號：TN30534 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X（2012）22012502

高低溫試驗是考核計算機質量的必要手段。高低溫試驗旨在考核產品上的電子器件在溫度惡劣情況下的性能。計算機在系統級試驗中的第二個溫度循環中，出現實驗臺檢測、模擬量和數字量均超差，工作前檢測均異常的現象，計算機自檢不通過，排查后發現是晶體失效引起的。

1 故障定位及影響分析

故障為偶發故障，進行了多次試驗，采用邏輯分析儀監控所有CPU模塊上的總線信號發現：故障發生時，CPU模塊上處理器芯片的時鐘輸出頻率異常。異常情況有3種，分別為：

（1） 輸出頻率為正常頻率的3倍；

（2） 輸出占空比由正常的1∶1變為了1∶2；

（3） 偶爾一個時鐘周期由正常的200 ns變為150 ns，且占空比為1∶2。

CPU模塊上時鐘電路的連接關系圖如圖1所示。從圖中可以看出，引起CPU模塊上處理器芯片時鐘輸出異常的故障樹如圖2所示。

圖2 時鐘輸出異常的故障樹從圖2的故障樹可以看出，導致時鐘輸出異常的有3個因素：

（1） 晶體諧振器失效；

（2） 處理器芯片失效；

（3） 電容失效。

1.1 晶體諧振器失效影響分析

晶體諧振器作為時鐘電路的振源，其失效直接影響CPU芯片的時鐘輸出。晶體諧振器的失效模式為定時失效，定時失效包括：

（1） 停振；

（2） 3次泛音（工作在3倍頻狀態）；

（3） 定時不穩。

從故障現象看，時鐘輸出有3倍頻和時鐘輸出不穩現象，與晶體諧振器的失效機理吻合，可以判定，晶體諧振器失效是引起時鐘電路失效的一個原因。

1.2 處理器失效影響分析

由于晶體諧振器的起振電路、分頻電路以及輸出驅動電路均在CPU芯片內部，因此，處理器芯片失效也是引起時鐘輸出異常的原因之一。

根據故障現象分析，起振電路異常會導致晶體諧振器工作在3次泛音狀態；分頻電路異常會導致占空比異常；但是這兩個電路的失效均不會導致偶爾一個時鐘周期由正常的200 ns變為150 ns，且占空比位1∶2。因此可以基本排除處理器芯片的失效。

1.3 電容失效影響分析

電容作為晶體諧振器要求的負載電容，能夠影響晶體諧振器的正常工作。

電容采用瓷介電容，其失效模式分為開路和短路兩種，從圖1可以看出，電容短路會導致晶體諧振器輸出直接接地，導致晶體諧振器工作異常，故障現象應該為晶體諧振器停振，與故障現象不符，因此可以排除電容的短路故障。

電容開路相當于在晶體諧振器管腳的輸出回路減少了容性負載，容性負載為最小。該晶體諧振器的振動模式為基頻模式，對負載電容要求范圍較寬，容性負載減少10 pF不足以導致晶體諧振器工作異常。

1.4 結論

從上述分析和試驗判定：晶體諧振器失效導致時鐘電路工作異常，從而引起CPU模塊故障。

2 原因分析

2.1 機理分析

對失效晶體諧振器CR/64U20M00000進行測試，發現異常，晶體諧振器出現：溫度頻差測試超差。

晶體諧振器的失效模式為定時失效，定時失效包括：

（1） 停振；

（2） 3次泛音（工作在3倍頻狀態）；

（3） 定時不穩。

通過對失效晶體諧振器和正常晶體諧振器進行測試發現，失效晶體諧振器在溫度沖擊條件下，會出現：停振、幾次測試頻差差異較大、等效電阻較大等現象。在高、低溫測試時，從-55～85 ℃采用5 ℃一個溫度變化，對晶體諧振器的頻差和等效電阻進行測試，發現失效晶體諧振器頻差數據不連續，與標準擬合曲線差別較大，其等效電阻在-15 ℃和-25 ℃期間突然變大（見圖3、圖4）頻差不連續說明晶體諧振器在溫度條件下其穩定度較差，會導致頻率異常。等效電阻的突變也會使晶體諧振器的頻率發生變化。從測試結果可以看出在低溫段，晶體諧振器處于非穩定工作狀態，因此導致輸出異常。

圖3 正常的頻差與等效電阻曲線

圖4 失效晶體諧振器的頻差與等效電阻曲線2.2 失效分析

對失效晶體諧振器進行了失效分析，進行常溫測試、密封性測試、溫度循環加電測試和開封檢查，除了振蕩頻率超差以外別無異常，不屬于功能失效、制造工藝缺陷等問題，也不屬于批次性問題。它的工作異常是由于晶體諧振器內部晶片的形成結構異常造成晶體諧振器與振蕩電路不能相互匹配，因而在低溫條件下表現出來，這種晶體諧振器內部晶片結構異常，屬于極其偶然的個別現象。

3 改進措施

為避免該問題的再次發生，在元器件二次篩選過程中，對晶體諧振器進行溫度頻差測試，發現晶體諧振器早期失效問題。